Atomarer Käfig erzeugt Supermetall

In einer Legierung wiesen Forscher experimentell nach, was metallische Gläser von der Kristallisation abhält. Damit rücken sie dem Alltagseinsatz des modernen Supermaterials so ein großes Stück näher.

Metallisches Glas
Metallisches Glas

Kiel - Massive metallische Gläser sind wahre Supermaterialien: Sie sind wesentlich härter als herkömmliche Stähle, korrosionsbeständig und extrem vielseitig einsetzbar. Hinzu kommt, dass metallische Gläser hochpräzise und so einfach wie Plastik verarbeitet werden können. Der Haken an der Sache: Die Herstellung metallischer Gläser ist kompliziert und damit kostspielig. Denn normalerweise ordnen sich die Atome beim Abkühlen der Schmelze regelmäßig an. Man sagt, das Material kristallisiert. Die einzigartigen Eigenschaften metallischer Gläser resultieren aber gerade daraus, dass die atomare Unordnung der flüssigen Schmelze beim Erstarren erhalten bleibt. Das Verständnis, wie man Atome in Legierungen gezielt "verwirren" kann, ist also ein Schlüssel zur Beherrschung der Glasbildung. Bislang gab es jedoch keine Experimente, welche die genauen physikalischen Vorgänge der Glasbildung erklärten.

Forscher von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel identifizierten in einer Legierung aus Palladium, Kupfer, Nickel und Phosphor nun einen fundamentalen Mechanismus der Glasbildung. Die Wissenschaftler zeigten, dass die Beweglichkeit der Palladiumatome während des Abkühlens der Schmelze rund 10.000 Mal geringer ist, als die Beweglichkeit der übrigen Elemente. "Berechnungen zufolge umringen die größten Atome die umliegenden Teilchen und sperren sie wie in einem Käfig ein. Bisher konnte dieser Vorgang aber experimentell nicht beobachtet werden", erklärt Franz Faupel. Die verhältnismäßig großen Palladiumatome bilden ein starres Netzwerk, noch lange bevor die Glassübergangstemperatur erreicht ist, bei der die flüssige Schmelze zum festen Körper erstarrt. Dadurch verhindern die Palladiumatome eine schnelle Kristallisation der Legierung, so dass auch eine niedrige Kühlrate genügt, um die flüssige Unordnung einzufrieren.

Mit den neuen Erkenntnissen lässt sich besser verstehen, wie die Kristallisation von Legierungen gezielt verhindert werden kann. Die Jagd nach preiswerten glasbildenden Legierungen für technische Anwendungen ist in vollem Gange. Dank des besseren Verständnisses der Glasbildung ist der massenweise Alltagseinsatz des modernen Supermaterials ein großes Stück näher gerückt.